D类提高音频放大器的效率

文章摘要：EffICiency = POUT / PSUP (5) Efficiency (CONDUCTION) = iL^2 * RL / iL^2 * (2rDS(on) + RL) (6) Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) (7) 方程式7可用作计算rDS(on) 对效率影响的第一位近似值。对rDS(on) 为0.1 ohm而负载电阻RL为4 ohm 而言，效率为95%。如果rDS(on)上升为0.3 ohm，则效率降至87%。 放大器的偏置电流、闸电荷 (gate charge) 以及切换电流都会消耗功率。

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EffICiency = POUT / PSUP (5)

Efficiency (CONDUCTION) = iL^2 * RL / iL^2 * (2rDS(on) + RL) (6)

Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) (7)

       方程式7可用作计算rDS(on) 对效率影响的第一位近似值。对rDS(on) 为0.1 ohm而负载电阻RL为4 ohm 而言，效率为95%。如果rDS(on)上升为0.3 ohm，则效率降至87%。

       放大器的偏置电流、闸电荷 (gate charge) 以及切换电流都会消耗功率。为了计算两种或更多损耗影响下的效率，方程式5中的PSUP应就输出功率与消耗功率进行分解。

Efficiency = POUT / PSUP = POUT / (POUT + PD1 + PD2 + PD3 ...) (9)

       放大器的偏流、闸电荷以及切换电流损耗可视作独立于输出功率，因为传导损耗在输出功率最大时占主导地位，可算入静电损耗 PQ。静电损耗计算方法如下：器件工作状态下无输入信号时（带有生产中将使用的过滤器与负载）的电源电流乘以电源电压。

PQ = IDD(q) * VCC (10)

       为了使用效率方程式 (9)，传导损耗中的功耗必须从方程式7中得出。解方程式7与9得出传导损耗中消耗的功率 PD(CONDUCTION)。方程式12显示了结果。

Efficiency (CONDUCTION) = RL / (2rDS(on) + RL) = POUT / (POUT + PD(CONDUCTION)) (11)

PD (CONDUCTION) = POUT * 2rDS(on) / RL (12)

将方程式10与12中的消耗损耗插入方程式9，计算D 类效率如下：

Efficiency = POUT / POUT + (POUT * 2rDS(on) / RL) + PQ (13)

静电损耗在低输出功率电平上占主导地位，而传导损耗在高功率电平上占主导地位。

       D 类放大器比AB 类放大器的效率高得多。更高功率意味着消耗的功率更低，这使我们采用12V的D 类放大器时不必使用散热片，而与之相当的AB 类放大器则离不开散热片。在输出功率为10W的情况下，TPA3002D2为4 ohm时消耗功率仅为3.7 W，而与其相当的AB 类放大器的功耗则高达14 W！

       为什么某些D 类放大器要求过滤器，而其它的则不然？

       无过滤器调制方案的开发大大减少乃至去除了输出过滤器的需求。无过滤器调制方案可最小化开关电流，这使我们可采用损耗很大的电感器甚至扬声器来代替LC过滤器作为存储元素，并仍然可确保放大器的高效率。

       传统的D 类调制方案就其差动输出而言，每个输出都有180度的相位差，并从接地到电源电压VCC发生改变。因此，差动预过滤 (pre-filtered) 输出在正负VCC之间变化，而已过滤的50% 忙闲度在负载中电压为零。请注意，尽管整个负载平均电压为零（50% 的忙闲度），输出电流峰值仍很高，这会导致过滤器损耗，并增加了电源电流。传统的调制方案需要LC过滤器，这样较高的切换电流可在LC过滤器中再循环，而不会被扬声器消耗掉。

       在无过滤器调制方案中，各输出均从接地转换至电源电压。但是，VOUT+ 与VOUT- 现在是彼此同相的，没有输入。正电压情况下，VOUT+ 的忙闲度大于50%，而VOUT-的则小于50%。负电压情况下，VOUT+ 的忙闲度小于50%，而VOUT- 的大于50%。整个负载的电压在大多数切换周期中为零，从而大大减小了过滤器和/或扬声器中的I2R损耗。较低的切换损耗使扬声器可作为存储元件，同时仍能保证

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